金屬燃氣管道的綜合地球物理勘察方法與應用

劉金鎖，劉盛東，董 亞，曹 煜，劉惠洲，任 川，章 俊

(1.安徽惠洲地質安全研究院股份有限公司,安徽 合肥 231202;2.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇 徐州 221008)

1 引言

油氣管道是國家能源發展的“命脈”[1]。據不完全統計,油田集輸管網以及城市燃氣管網等總長度已超過30萬km[2],保持國家能源“命脈”的暢通是國家長久發展的基本保障。2021年11月4日,國務院安委辦印發通報中強調,加強城市燃氣安全工作,全面開展地下管網普查,加快老舊燃氣管道更新改造改線,把人民生命安全放在第一位[3,4]。一般來說,燃氣運輸管道一般多選用鋼管焊接,精準探測地下金屬管道的位置信息及鋪設路徑對保障地下金屬管道安全運行意義重大[5-7]。Won(1980)[8]提出了基于電磁感應的頻率域探測方法,通過固定發射與接收線圈距離,發射不同頻率信號進行地下異常探測。陳軍等[9]等(2005)使用地質雷達查明了石油天然氣管道準確位置,為樁基礎施工提供了有力支持。楊志軍等[10]等(2009)以電磁法探測金屬管線理論為基礎,針對不同天線分析各種方法定位的誤差。丁華等[11](2010)同時采用高密度電法、瞬態面波和地震映像三種地球物理方法綜合探測深埋管線,取得了一定效果。張博[12](2021)提出了諧振差分技術以解決一次場及低信噪比問題,并結合室內探測試驗,驗證了探測系統的可靠性。

復雜的管道埋置情況導致單一的地球物理方法難以滿足管道的精準探測,本文為實現地下金屬燃氣管道的精準探查,提出瞬變電磁與基于靜力觸探的等電位體測試相結合的方法,首先采用對偶線圈瞬變電磁儀確定地下燃氣管道的水平位置,待水平異常點位置確定后,開展基于靜力觸探的等電位體測試,同時測量整個異常點下方不同深度的貫入阻力及電流密度,完成燃氣管道縱橫雙向探查,實現地下金屬燃氣管道的精準定位。

2 方法介紹

本方法采用多種地球物理手段與勘察方法組合進行管道定位。首先正上方水平方位定位采用瞬變電磁儀,沿垂直于地下燃氣管道方向進行掃描,確定管道的水平位置,待水平位置圈定后,在豎向進行基于靜力觸探的垂直壓孔等電位探測法。當垂直孔位在燃氣管道附近時,貫入阻力達到最低值、電位達到最高值,此時貫入阻力最低值、電位最高值對應的深度即為燃氣管道深度。具體方法如下。

2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法屬于時間域電磁感應方法。其探測原理是:在發送回線上供一個電流脈沖方波,在方波后沿下降的瞬間,產生一個向發射回線法線方向傳播的一次磁場,在一次磁場的激勵下,地質體將產生渦流(圖1),其大小取決于地質體的導電程度,在一次場消失后,該渦流不會立即消失,它將有一個過渡(衰減)過程[13-15]。該過渡過程又產生一個衰減的二次磁場向地質體內傳播,由接收回線接收二次磁場,該二次磁場的變化將反映地質體的電性分布情況(圖2)。

圖1 半空間等效感應電流Fig.1 Half-space equivalent induced current diagram

圖2 瞬變電磁法原理Fig.2 The principle of transient electromagnetic method

瞬變電磁場在大地中主要以擴散形式傳播,在這一過程中,電磁能量直接在導電介質由于傳播而消耗,由于趨膚效應,高頻部分主要集中在地表附近,且其分布范圍是源下面的局部,較低頻部分傳播到深處,且分布范圍逐漸擴大。

其傳播深度d(單位:m)為

(1)

傳播速度vz(單位:m/s)為

(2)

式(1)和式(2)中,t為傳播時間,單位:s;σ為介質電導率,單位:S/m;μ0為真空中的磁導率(單位:H/m)。

瞬變電磁的探測深度與發送磁矩覆蓋層電阻率及最小可分辨電壓有關。由式(2)得:

t=2π×10-7h2/ρ

(3)

式(3)中,h為探測深度,單位:m;ρ為覆蓋層電阻率,單位Ω·m。時間與表層電阻率,發送磁矩之間的關系為:

(4)

式(4)中,M為發送磁矩,單位:A·m2;ρ1為表層電阻率,單位:Ω·m;η為最小可分辨電壓,單位:V,它的大小與目標層幾何參數和物理參數,還有和觀測時間段有關。聯立式(3)和式(4),可得:

(5)

式(5)中,H為最大探測深度,單位m。公式(5)為野外工程中常用來計算最大探測深度公式。瞬變電磁的探測深度與發送磁矩,覆蓋層電阻率及最小可分辨電壓有關。

采用晚期公式計算視電阻率:

(6)

式中

(7)

2.2 基于靜力觸探的等電位體探測法

靜力觸探是指利用壓力裝置將有觸探頭的觸探桿壓入試驗土層,通過量測系統測量土的貫入阻力進行不同土層的劃分,如圖3所示,將測量電極M通過電線連入觸探頭位置,同時將供電電極A極對金屬管道進行充電,供電電極B和測量電極N置于無窮遠處,由于金屬管道的電阻率遠小于周圍巖體的電阻率(小于200倍),可以看作是理想導體。電流在金屬管道內流過時,不產生電位降低,導體內電位處處相等,是等電位體。向金屬管道充電,并觀測充電電場的分布,便可推斷整個地下金屬管道及周圍巖石的電性分布情況。

圖3 等電位體探測原理Fig.3 The principle ofequipotential body detection

3 現場實際應用

3.1 測線布置

根據現場踏勘及燃氣公司相關資料,在安徽某場地目標燃氣管道呈現南北走向分布,埋深約為10 m,直徑大小為350 mm,材質為不銹鋼管。為探查該燃氣管道的水平位置,本次瞬變電磁探測自西向東進行了11條測線的探測,采用安徽惠洲地質安全研究院自主研發的對偶線圈瞬變電磁儀,線圈直徑1.2 m,兩個20匝的發射線圈分別位于頂底,一個70匝的接收線圈位于兩發射線圈之間,發射電流10 A,每0.25 m一個測點探測,發射頻率25 Hz,疊加次數128次,測線分布如圖4所示。

圖4 瞬變電磁測線布置Fig.4 Layout of transient electromagnetic line

3.2 瞬變電磁水平異常位置圈定

瞬變電磁法主要以電性差異來對目標體進行探測。在原生地層狀態下,其導電性特征在縱向上有固定的變化規律,而在橫向上則相對均一。當有金屬導體存在于地層中時,由于體積效應的存在,都將引起地層整體電性在縱向和橫向上的變化,經過對采集數據的預處理,剔除一些無效測線后,以每條測線起點作為坐標0點,沿著測線方向為X軸,垂直測線方向為Z軸。測線探測順序由北向南依次為測線2→測線4→測線7→測線8→測線3。圖5為測線2視電阻率剖面圖。為清晰表示測線2后半段(即柏油路面上)的視電阻率差異,將該區域的測點單獨進行處理成圖,如圖6所示。

圖5 測線2視電阻率剖面Fig.5 The apparent resistivity profile of line 2

圖6 測線2后段視電阻率剖面Fig.6 The apparent resistivity profile of the back section of line 2

測線2分析如圖5所示,確定三處異常區(圖中紅色虛線標出)。分別為異常體1:距離馬路牙1 m左右處;異常體2:距離馬路牙2.5 m左右處;異常體3:距離墻邊5～6 m處。

圖7 測線4視電阻率剖面Fig.7 The apparentresistivity profile of line 4

圖8 測線7視電阻率剖面Fig.8 The apparentresistivity profile of line 7

測線4探測區域位于柏油路面。根據圖7視電阻率剖面圖分析,確定有兩處異常區。異常體1:距離馬路牙1～1.5 m處;異常體2:距離馬路牙3.5 m左右處。

測線7探測區域位于柏油路面。根據圖8視電阻率剖面圖分析,確定有兩處異常區。異常體1:距離馬路牙1.5 m左右處;異常體2:距離馬路牙3.5 m左右處。測線8探測區域位于柏油路面。根據圖9視電阻率剖面圖顯示,確定有兩處異常區。異常體1:距離馬路牙1.5 m左右處;異常體2:距離馬路牙3.5 m左右處。

圖9 測線8視電阻率剖面Fig.9 The apparentresistivity profile of line 8

圖10 測線3視電阻率剖面Fig.10 The apparent resistivity profile of line 3

測線3的總探測長度為12.5 m,而由于前半段探測區域淺部存在含有金屬網的混泥土石板,導致無法獲得深部的有效信息,且根據前面幾條測線發現,主要異常區是在柏油路面,故為了突出探測效果,摘取測線3后段數據進行單獨處理。圖10為測線3后段視電阻率剖面圖,確定有兩處異常區。異常體1:距離馬路牙1 m左右處;異常體2:距離馬路牙3 m左右處。

根據瞬變電磁多條測線的處理結果分析,同時結合金屬燃氣管線可能的實際走向(近似南北),在圖中連線出可能的管線走向,如圖11所示。結合現場靜力觸探的施工條件,給出兩個疑似燃氣管道的異常區域,

圖11 異常體位置示意圖Fig.11 The position diagram of abnormal body

3.3 基于靜力觸探的等電位體深度位置圈定

測點的布置結合瞬變電磁水平異常圈定的結果,異常1和異常2為疑似管道位置,如圖11所示,結合現場的施工環境,孔1～孔5為靜力觸探鉆孔開鉆位置,通過開孔進行了孔內靜壓試驗及孔內等電位體探測。圖12～圖16為孔1～孔5的PS曲線圖。綜合這幾個圖分析可以看出,該區域地層縱向分布與所提供的場地勘察資料基本吻合。各孔位從地表開始向下,均遇到表層雜填土及黏土層。約8 m均進入粉質黏土層,土層持力均增大。進入13 m左右后,各孔位進入夾沙粉質黏土層,土層持力增大至無法繼續壓入。

圖13 孔2-PS曲線Fig.13 Hole 2-PS curve

圖14 孔3-PS曲線 Fig.14 Hole 3-PS curve

如圖16所示,PS曲線異常點發生在孔5。該孔在10.3～10.5 m深左右,發生了明顯的掉鉆現象,其貫入阻力值為0。該點所在的土壓力較大,能形成如此明顯的掉鉆現象,是因為空洞周圍具有一定的支撐結構。綜合該點地表探測瞬變電磁探測成果(該點12 m左右存在異常),10.3～10.5 m處在管道周邊發生掉鉆的可能性極大。

圖15 孔4-PS曲線Fig.15 Hole 4-PS curve

圖16 孔5-PS曲線 Fig.16 Hole 5-PS curve

圖17 孔6-PS曲線Fig.17 Hole 6-PS curve

圖18 孔7-PS曲線Fig.18 Hole 7-PS curve

孔5發生掉鉆后,分別于孔5東西兩側各0.5 m處,再次進行靜壓試驗。其試驗PS曲線圖如圖17、圖18所示,由于燃氣管直徑為350 mm,尺寸較小,未能準確將探頭壓至管頂。

將各孔位的PS值繪制成剖面圖,如圖19所示。該圖左側為西邊,起始點為現場工地圍墻,測線位置如圖4鉆孔位置,在距起始點約10 m處,縱向深度為10.3～10.5 m,存在貫入阻力最低點位置,推測為管道所在位置。

圖19 PS剖面Fig.19 PS Profile

圖20 剖面電流場分布Fig.20 The profile current field distribution

將現場各孔位測試的電流場數據通過軟件繪制成等值線圖(圖20),從圖中可以看出,電流場在地下分布相對均勻,與現場實際地層條件具有較好的對應關系。而在沿剖面橫向7 m左右電流場等值線發生突變,存在明顯向下凹陷的趨勢,且電流大小顯著增大,在距測線起點9～10 m位置處電流值最大可達到565 mA,與周圍地層的電性特征存在顯著差異,根據地下地質體“高阻排斥,低阻吸引”的電流線及電流密度分布特征,表明該處存在一相對良導體,結合現場情況及已知管線信息,分析推斷該良導體為目標金屬燃氣管道。

4 結論

針對現有金屬燃氣管道精準定位問題,本文分別采用瞬變電磁和基于靜力觸探的等電位體探測相結合的方法進行實際管線探測,得出如下結論:

1)通過布置與疑似管道走向相垂直的多條瞬變電磁測線,每條測線均可確定兩處低阻異常,將異常位置連接成線,可基本定位管道走向。

2)結合瞬變電磁探測結果與場地靜力觸探施工條件,在距離馬路牙1～1.5 m處和3.5 m處確定水平位置兩處低阻異常,視深度在12～14 m。

3)通過在瞬變電磁標定異常位置開展靜力觸探和等電位體探測,管道所在位置貫入阻力為0,發生掉鉆現象,同時電流密度在管道位置最大,可達565 mA。